Știinta și Ingineria Materialelor

Conf.dr.ing. OLÁH Arthur

Deformarea plastică a materialelor metalice

Mecanismele deformării plastice • Sub acţiunea unor forţe exterioare care acţionează

asupra corpurilor solide, în volumul acestora sunt generate tensiuni interioare care determină deplasarea atomilor din poziţii cu energie potenţială minimă, în alte poziţii în care energia potenţială este mai mare. Deplasarea atomilor se poate produce pe distanţe:– mai mici decât parametri reţelei cristaline – rezultă o

deformaţie elastică, caz în care după încetarea acţiunii forţei exterioare, corpul revine la forma şi dimensiunile iniţiale;

– mai mari decât parametri reţelei cristaline – rezultă deformaţia plastică, situaţie în care corpul suferă modificări dimensionale.

Deformaţia plastică prin translaţie se realizează prin deplasarea unor fragmente (pachete) din blocurile cristaline pe anumite plane cristaline. Planele cristaline pe care se produce alunecarea se numesc plane de alunecare, iar direcţiile de-a lungul cărora se produce alunecarea pachetelor de material, - direcţii de alunecare.

Restabilirea coerenţei reţelei prin deplasarea dislocaţiilor

Deformaţia plastică prin maclare.

• Mecanismul maclării constă în deplasarea unor grupări de atomi (pachete), în așa fel încât în cristal să se formeze două sau mai multe zone care au reţele simetrice una în raport cu alta. În pachete se modifică unghiurile care caracterizează celula elementară a metalului.

Deformarea plastică a agregatului policristalin

• este rezultatul deformărilor pe care le suferă fiecare grăunte în parte. Deoarece orientarea grăunţilor din corpurile metalice este diferită, nu toţi grăunţii se vor deforma la fel. Sub acţiunea forţelor exterioare, vor începe să se deformeze întâi grăunţii care au planele de alunecare orientate cel mai favorabil deformării prin translaţie, respectiv la 45° faţă de direcţia de acţiune a forţei.

Fig. 3.5. Deformarea plastică a agregatului policristalin:a) înainte de deformare; b) după deformare

Influenţa deformării plastice asupra proprietăţilor

• Legea volumului constant. Făcând abstracţie de micile variaţii de volum produse prin comprimarea posibilelor incluziuni de gaze sau microretasuri, se poate considera că deformarea are loc la volum constant.

» V0 = Vu = constant

• Legea prezenţei deformărilor elastice în timpul deformării plastice. • Legea rezistenţei minime. Această lege are mai multe formulări:

– orice formă a secţiunii transversale a unui corp supus deformării plastice prin refulare în prezenţa frecării pe suprafaţa de contact, tinde să ia forma care are perimetrul minim la suprafaţa dată; la limită se tinde către un cerc;

– deplasarea punctelor corpului pe suprafaţa perpendiculară pe direcţia forţelor exterioare are loc după normala cea mai scurtă dusă la perimetrul secţiunii.

• Legea similitudinii. Pentru aceleași condiţii de deformare a două corpuri geometrice asemenea, dar care au mărimi diferite, presiunile specifice de deformare sunt identice, iar raportul forţelor de deformare este egal cu pătratul raportului mărimilor liniare.

Factorii care influenţează procesele de deformare plastică sunt:

• Compoziţia chimică şi microstructura. La oţeluri deformabilitatea este diminuată prin creșterea concentraţiei de elemente de aliere carburigene, a sulfului și fosforului. Prezenţa incluziunilor de zgură, silicaţi și sulfuri favorizează fisurarea în timpul deformării.

• Mărimea grăunţilor. Materialele cu granulaţie mare au o deformabilitate mai bună decât cele cu granulaţie fină.

• Tipul reţelei cristaline. Materialele au o deformabilitate cu atât mai bună, cu cât numărul sistemelor de alunecare este mai mare. Ce mai bună deformabilitate o au materialele care prezintă o reţea CFC.

• Temperatura. La creșterea temperaturii deformabilitatea crește datorită reducerii limitei de curgere, iar la oţeluri și datorită transformării alotropice.

• Viteza de deformare. Deformabilitatea se reduce odată cu creșterea vitezei de deformare.

Deformarea plastică la cald

• Starea rezultată în urma deformării plastice, fiind o stare în afara echilibrului, materialul metalic tinde să treacă spontan într-o stare cu o energie mai mică, mai apropiată de starea de echilibru. Procesele prin care un material ecruisat trece în stări cu energie mai mică se desfăşoară prin difuzie. Temperatura are o mare influenţă asupra proceselor de difuzie şi exercită o influenţă mare asupra structurii şi proprietăţilor metalelor deformate plastic.

Încălzirea semifabricatelor

Cuptor cu vatră fixă Cuptor cu vatră mobilă

Cuptor cu vatră rotativă Cuptor cu inducţie

Procedee de deformare plastică • La prelucrarea prin deformare plastică, modificarea formei

semifabricatului se realizează prin redistribuirea volumelor sale elementare sub acţiunea forţelor exterioare, prin urmare, exceptând unele pierderi inevitabile, prelucrarea are loc fără îndepărtare de material.

• Prelucrarea prin deformare plastică prezintă o serie de avantaje : – obţinerea unor proprietăţi mecanice superioare; – consum minim de material; – productivitate foarte ridicată; – obţinerea unei game foarte largi de piese, cu configuraţii simple până la cele

mai complexe, cu nu număr redus de operaţii;– obţinerea unei precizii ridicate (mai ales la rece) cu o manoperă redusă.

• Datorită avantajelor sale, prelucrarea prin deformare plastică deţine, ponderea cea mai mare în industria constructoare de maşini. Peste 60% din piesele componente ale maşinilor, utilajelor şi instalaţiilor sunt realizate din semifabricate obţinute prin deformare plastică.

• A. Deformare prin compresiune, realizată, prin solicitarea de compresiune mono- și poliaxială. În această grupă sunt incluse:

• forjarea liberă; • forjarea în matriţe; • extrudarea;• laminarea; • B. Deformarea prin tracţiune-compresiune, constă în deformarea

metalului printr-o solicitare compusă de tracţiune și compresiune. Din această grupă fac parte:

• - trefilarea și tragerea barelor; • - tragerea ţevilor; • - ambutisarea adâncă; • C. Deformarea prin tracţiune, constă în deformarea plastică a

materialului printr-o solicitare de tracţiune mono- sau poliaxială. În această grupă sunt incluse, alungirea, lăţirea și adâncirea. .

• D. Deformarea prin încovoiere, se realizează prin solicitarea de încovoiere aplicată unui semifabricat plan. Încovoierea poate fii realizată liber sau prin matriţare

• E. Deformare prin forfecare constă în deformarea prin răsucire a unei porţiuni de semifabricat faţă de altele, ca de exemplu la răsucirea manetoanelor de la arborii cotiţi.

Forjarea liberă • Forjarea liberă constă în comprimarea succesivă a metalului cu

ajutorul a două scule (nicovale), din care una este fixă iar alta mobilă, care sunt montate pe ciocane sau prese. Se supun forjării libere lingouri sau semifabricate laminate.

• Piesele forjate au caracteristici mecanice superioare produselor laminate şi mai înalte faţă de cele ale pieselor obţinute prin turnare, datorită structurii de forjare care este mai omogenă şi densă. Calitatea pieselor forjate depinde de gradul de coroiaj, exprimat ca raport între secţiunea piesei, stabilită perpendicular pe direcţia deformaţiei principale, măsurată înainte şi după forjare. Mărimea gradului de coroiaj impus unui anumit produs forjat, depinde de dimensiunile semifabricatului folosit, de calitatea materialului şi de importanţa piesei forjate. Cu cât gradul de coroiaj este mai mare, cu atât compactitatea şi caracteristicile mecanice sunt mai înalte.

Scule de bază şi ajutătoare

Matriţele pentru finisare , Dălţile, Întinzătoarele şi netezitoarele Topoarele, Dornurile, cleşti de forjă, cleşti de macara, furcile pentru

răsucit, manşoane de prindere, dispozitive, dispozitive pentru măsurat şi control.

Schema ciocanului pneumatic de forjă

Forjarea în matriţă • Forjarea în matriţă constă în schimbarea formei și dimensiunilor materialelor

prin deformare plastică cu ajutorul matriţelor, pe mașini de forjat specializate. Matriţarea este precedată de încălzirea semifabricatelor la temperatura necesară începerii deformării plastice.

• Procesele tehnologice de matriţare cuprind următoarele operaţii:– - Debitarea semifabricatelor pe mașini specializate ( fierăstraie alternative,

fierăstraie circulare, ghilotine etc. ).– - Încălzirea semifabricatelor la temperatura corespunzătoare.– - Preforjarea materialului în vederea aducerii la o forma apropiată

configuraţiei locașului matriţei.– - Matriţarea propriu – zisă, într-o singură operaţie sau mai multe operaţii

succesive, funcţie de mărimea și complexitatea piesei.– - Debavurarea pieselor matriţate, executată în matriţa de debavurat sau

separat.– - Răcirea pieselor matriţate în cuptoare, nisip, containere, aer liniștit etc.,

in funcţie de calitatea materialului și dimensiunile piesei.– - Curăţarea pieselor matriţate de resturile de bavuri și ţunder, prin

polizare, sablare etc.– - Marcarea pieselor matriţate.– - Controlul final.

Matriţe pentru forjare

• Matriţe: A – cavitate închisă; B – cavitate deschisă.

• Executarea pieselor prin matriţare la cald poate fi realizată pe ciocane de matriţare sau pe prese de diferite tipuri. Matriţarea pe ciocane prezintă avantajul că viteza de deformare este mare şi astfel umplerea cavităţii se produce mai în profunzime. Dar cum la impact, în matriţă sunt generate tensiuni foarte mari, matriţa necesită o rezilienţă mare, respectiv o duritate mai redusă. Din acest motiv uzarea matriţelor pentru ciocane de matriţare este mai rapidă.

• Matriţarea pe prese are următoarele avantaje în raport cu matriţarea pe ciocane:– - precizie mai ridicată datorită rigidităţii sporite a berbecului;– - înclinaţii mai mici ale pereţilor cavităţii, datorită folosirii

extractoarelor;– - posibilitatea mecanizării şi automatizării procesului;– - consum mai mic de energie;– - productivitate ridicată.

Deformarea plastică prin extrudare • Extrudarea este procesul de prelucrare prin deformare plastică

care constă în trecerea forţată a materialului printr-o matriţă a cărei deschidere este profilată și are o secţiune mai mică decât cea a semifabricatul supus deformării.

• Procesul de extrudare are loc prin următoarele faze:• - presarea până la umplerea completă a orificiului matriţei; • - începutul curgerii prin orificiul matriţei; • - curgerea materialului prin orificiul matriţei.• Forţa de extrudare este influenţată de :

– a) rezistenţa la deformare a semifabricatului;– b) gradul de reducere;– c) valoarea forţelor de frecare;– d) tipul extrudării;– e) complexitatea piesei;– f) forma și dimensiunile semifabricatului.

Extrudarea directă şi extrudarea inversă

A. – extrudare inversă; B. – extrudare directă.

• Extrudarea maselor plastice se poate realiza atât prin extrudare directă, cât și indirectă, folosind principiile prezentate mai înainte. Pentru realizarea diverselor profile, închise sau deschise se poate folosi și metoda extrudării directe la care presarea materiei prime se realizează de către un extruder cu șneck (melc)

Tehnologia extrudării • Etapele procesului tehnologic de extrudare a materialelor

metalice sunt:– - debitarea semifabricatului;– - pregătirea pentru extrudare (curăţire, eventual încălzire, lubrifiere);– - extrudarea propriu-zisă;– - operaţii complementare (retezare, calibrare);– - control tehnic de calitate.

• În cazul materialelor metalice cu deformabilitate mare (aluminiu, cupru, alamă etc.) operaţia de extrudare se efectuează la rece. Oţelurile cu conţinut mic de carbon folosite pentru realizarea prin extrudare a pieselor scurte nu necesită o încălzire, dar în prealabil suprafaţa se supune operaţiei de fosfatare, cu scopul reducerii frecării dintre material, container şi matriţă.

Tragerea barelor, ţevilor şi trefilarea

• Procesul de deformare plastică prin tragere se realizează prin trecerea unui semifabricat sub formă de bară printr-un orificiu calibrat al sculei de deformare, numită filieră. Tragerea prin filieră se realizează sub acţiunea unei forţe de tracţiune aplicată la capătul anterior al semifabricatului. În funcţie de aspectul produselor trase, și în funcţie de organele de mașină care asigură forţa de tragere, deformarea plastică se poate realiza prin două tehnologii distincte: trefilarea sârmelor și tragerea barelor și ţevilor.

Filieră de deformare prin tragere: 1 – con de prindere; 2 – con de ungere;

3 – con de deformare; 4 – cilindru de calibrare; 5 – con de degajare.

Tragerea ţevilor: A – fără dorn; B – cu dorn fix; C – cu dorn

flotant.

Deformarea plastică prin laminare • Laminarea este procedeul de prelucrare prin deformare

plastică la care un semifabricat este trecut printre doi cilindrii care se rotesc in sensuri inverse și reduc dimensiunile secţiunii în direcţia acţionării forţei. Laminarea este procedeul cu cea mai mare răspândire in prelucrarea metalelor prin deformare plastică. Aproximativ 75% din producţia de oţel elaborată în industria metalurgică se prelucrează prin laminare, rezultând semifabricate ca: table, benzi, profile, ţevi etc., în timp ce restul de 25% din cantitatea de oţel este prelucrată prin turnare sau prin forjare.

• Laminorul este o instalaţie complexă utilizată pentru prelucrarea prin laminare la cald sau la rece a materialelor. Este format din utilaje de bază (care participă direct la deformarea plastică), și din utilaje auxiliare de încălzire, manevrare, ajustare etc.

Structura materialelor laminate la cald

Laminarea ţevilor

• Cel mai productiv procedeu de fabricare a ţevilor fără cusătură din oţel, este cel de obţinere a acestora prin laminare. Se pornește de la un semifabricat cilindric masiv, încălzit la 1200-1300⁰C, care este trecut printre cilindrii poziţionaţi oblic ai unui laminor și care au același sens de rotire (procedeul Mannesmann).

Deformarea plastică a tablelor

Elementele componente ale matriţelor

• Matriţele destinate deformării prin presare la rece a tablelor diferă de cele destinate matriţării la cald prin faptul că sunt prevăzute cu:– o placă de presiune care împiedică deformarea necontrolată a tablei

în timpul presării;– au coloane de ghidare proprii;– au sisteme de extragere din matriţă a piesei presate.

Deformarea tablelor prin expandare pneumatică

Tehnologia operaţiilor de presare la rece

• 1. Operaţii de tăiere. Tăierea este o operaţie de prelucrare prin care un semifabricat este separat în una sau mai multe părţi distincte după un contur închis sau deschis .

• a. retezarea constă în separarea unor părţi dintr-un material după un contur deschis. Retezarea se utilizează în general la tăierea foilor de tablă în benzi sau în bucăţi dreptunghiulare necesare operaţiilor următoare. Operaţia de retezare se poate executa cu foarfecele sau cu ştanţe.

• b. decuparea constă în decuparea completă a unor părţi din material, după un contur închis, partea rămasă constituind deşeul. Decuparea se execută pe prese cu ajutorul ştanţelor de decupat.

• c. perforarea constă în separarea completă a unor părţi din material după un contur închis, partea desprinsă constituind deşeul. Operaţia de decupare şi cea de perforare se pot executa simultan cu ajutorul ştanţelor.

• d. tunderea constă în separarea surplusului de material de la marginea piesei ambutisate. Se execută cu ajutorul unor ştanţe speciale.

• 2. Operaţii de deformare. Sunt foarte variate, sunt prezentate doar câteva:

• a. îndoirea urmăreşte transformarea semifabricatelor plane în piese curbe. Operaţia de îndoire se execută cu ajutorul matriţelor de îndoire .

• b. profilarea .constă în transformarea semifabricatelor plane în piese curbe, prin îndoirea acestora pe muchii sau generatoare paralele între ele şi paralele cu muchia lor longitudinală.

• c. îndreptarea constă în aducerea unei piese curbe la forma rectilinie sau plană.

• d. bordurarea constă în prelucrarea prin deformare a marginii exterioare a unei piese pentru a se obţine o margine de racordare sau întărirea marginilor.

• e. fasonarea cuprinde operaţiile prin care se modifică forma piesei sau a semifabricatului, grosimea materialului rămânând constantă.

• f. ambutisarea este o operaţie de deformare plastică care se execută în matriţe cu acţiune simplă şi cu acţiune dublă, directă sau inversă.

• 3. Operaţii de fasonare:• a. reliefarea constă în scoatere în relief a unor inscripţii sau

desene, fără modificarea grosimii materialului.• b. gâtuirea urmărește micșorarea secţiuni transversale a

barelor, ţevilor sau a pieselor realizate prin ambutisare .• c. umflarea este prelucrarea de deformare executată cu

scopul de a mării dimensiunile transversale spre fundul unei piese cave .

• d. evazarea constă în mărirea progresivă a diametrului interior al unei ţevi sau al unei piese cave.

• e. formarea cuprinde operaţiile care urmăresc modificarea semifabricatului prin deformare volumică (se aplică numai pieselor din materiale cu plasticitate mare).

• f. asamblarea cuprinde operaţiile prin care se realizează îmbinarea diferitelor piese folosind presele.

• g. fălţuirea care este o operaţie de deformare prin care se realizează asamblarea marginilor a două table sau a două piese prin îndoirea acestora.

Sudarea materialelor metalice • Avantajele sudării:• - faţă de metodele de asamblare prin nituire sau cu şuruburi,

se realizează o economie de material, se realizează etanşeitatea îmbinării şi in absenţa găurilor pentru nituri sau şuruburi, creşte rezistenţa asamblării;

• - faţă de piesele turnate rezultă construcţii mai suple, consumul de manoperă la sudare este mai mic, iar rezistenţa la rupere a materialelor laminate care se sudează este mai mare decât a celor turnate;

• - se pot obţine construcţii de complexitate mare, formate din mai multe componente, fiecare din alt material sau obţinute prin diferite procedee tehnologice;

• - echipamentele de sudare sunt simple, iar materialele de adaos sunt relativ ieftine şi accesibile.

Structura îmbinărilor sudate

• Sudura este rezultatul operaţiei de sudare, iar prin cusătură sudată se defineşte aceea zonă a îmbinării în care au acţionat efectiv forţele de coeziune interatomică. Cordoanele de sudură rezultate prin topire au o microstructură şi o compoziţie chimică proprie, diferită de cele ale materialelor de bază care sunt sudate.

Clasificarea procedeelor de sudare

• A. procedee de sudare prin topire, la care metalul adaos şi marginile rosturilor metalului de bază se topesc sub influenţa sursei de căldură, alcătuind baia de sudură, care prin cristalizare formează cusătura sudată;

• B. procedee de sudare în stare solidă, la care îmbinarea pieselor se realizează prin presiune în stare solidă, fără metal adaos, cu sau fără încălzire;

• In afară de acestea, mai sunt prevăzute următoarele categorii de procedee:

• C. procedee speciale de sudare;• D. procedee de lipire a metalelor;• E. procedee conexe, care sunt metode de prelucrare la cald a

metalelor, care utilizează tehnici bazate pe procese care sunt proprii diferitelor metode de sudare, dar nu realizează îmbinări sudate (tăierea, metalizarea, sudarea de încărcare etc.).

Sudarea cu arc electric descoperit - cu electrod învelit

Electrozii utilizaţi la sudarea manual cu arc electric descoperit

Sudarea cu arc electric acoperit (sub strat de flux)

Avantajele sudării sub strat de flux sunt :- protecţie faţă de aerul din mediul înconjurător;- se poate lucra cu densităţi mari de curent 100 - 200 A /

mm2 ;- pătrundere bună;- viteză de topire mare; - productivitate mare;- fum, gaze, noxe puţine;- rezistenţă şi aspect bun al cordonului de sudură.

Sudarea în mediu de gaz protector cu electrod fuzibil (MIG/MAG)

Sudarea prin procedeul MIG/MAG 

Sudarea în mediu de gaz protector cu electrod nefuzibil (WIG)

Procedeul de sudare WIG

Procedeul WIG/TIG este adesea folosit pentru sudarea oţelurilor inoxidabile şi a materialelor neferoase precum aluminiul, magneziul şi aliaje ale cuprului. Aplicarea procedeului implică abilităţi şi experienţă din partea sudorului şi este mai lent comparativ cu alte procedee de sudare. Îmbinările realizate prin acest procedeu sunt de foarte bună calitate.

Sudarea cu flacără oxi – gaz

Procedee de sudare în stare solidă

Sudarea cap la cap în fază solidă – care se realizează în două faze:a) Încălzirea – piesele cu părţile frontale prelucrate şi curăţate sunt aduse în contact. Datorită forţei de strângere, rezistenţa de contact între fălcile de strângere şi piese este mai mică decât rezistenţa dintre cele două piese. În aceste condiţii, porţiunea dintre piesele în contact se încălzeşte datorită rezistenţei ohmice, până la atingerea temperaturii de deformare plastică (900...1200⁰C la oţel).b) Refularea – se realizează prin mărirea forţei de presare. După răcire, îmbinarea prezintă o îngroşare şi o scurtare de refulare.

Sudarea în puncte este un procedeu de sudare electrică prin presiune prin conducţie a două sau mai multe piese suprapuse, strânse între doi electrozi de contact și care se realizează între suprafeţele de contact, în locurile prin

care trece curentul electric. Acest procedeu de sudare se bazează pe efectul Joule – Lenz, de trecere a curentului electric prin coloana de metal cuprinsă

între vârfurile electrozilor de contact.

Sudarea în linie este un procedeu asemănător sudării prin puncte cu deosebirea că în locul electrozilor se folosesc role de

apăsare a pieselor supuse sudării

Procedee de sudare cu energie mecanică

Sudarea prin frecare a pieselor cilindrice

Sudarea prin frecare a suprafeţelor plane

Sudarea prin presiune la rece cu ultrasunete

• Procedeul de sudare prin presiune cu ultrasunete se bazează pe proprietatea ultrasunetelor de a penetra corpurile solide şi de a genera în acestea oscilaţii mecanice care se propagă sub forma unor unde elastice. Dacă presiunea undei elastice este suficient de mare, atunci la interfaţa a două piese aflate în contact se produce un transfer de masă, în ambele sensuri. În aceste condiţii există posibilitatea deplasării unor blocuri cristaline sau a unor grupări de atomi de pe un corp pe altul, realizându-se o legare coerentă la nivel cristalin.

Sudarea prin explozie. • Procedeul de sudare prin explozie intră în categoria sudării în stare solidă

bazate pe energie chimică. Sudarea prin explozie se aplică în special pentru placarea tablelor sau pieselor mari. Procedeul mai este aplicat şi pentru executarea sudurilor cap la cap sau pentru producerea unor materiale compozite armate cu diverse fibre. Procedeul este aplicat în cazul când metodele convenţionale de îmbinare nu pot fi realizate tehnic sau sunt neeconomice.

Procedee conexe ale operaţiilor de sudare